Renforcement par solution solide

1.Définition 

Phénomène dans lequel la solution solide d'éléments d'alliage dans le métal de la matrice provoque une distorsion du réseau dans une certaine mesure de sorte que la résistance de l'alliage.

2. Principe

Les atomes de soluté dans la solution solide provoquent une distorsion du réseau, ce qui augmente la résistance du mouvement de dislocation et rend le glissement difficile à réaliser, augmentant ainsi la résistance et la dureté de la solution solide de l'alliage. Ce renforcement d'un métal par dissolution dans un certain élément de soluté pour former une solution solide est appelé renforcement par solution. Lorsque la concentration d'atomes de soluté est appropriée, la résistance et la dureté du matériau peuvent être augmentées, mais sa ténacité et sa plasticité peuvent être diminuées.

3. Facteurs affectant 

Plus la fraction atomique de l'atome de soluté est élevée, plus le renforcement est important, en particulier lorsque la fraction atomique est très faible. Plus la différence de taille entre l'atome de soluté et l'atome de métal de base est grande, plus l'effet de renforcement sera fort. Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de la solution solide plus important que les atomes de remplacement, et la distorsion du réseau des atomes interstitiels dans les cristaux cubiques volumétriques centrés est asymétrique, de sorte que l'effet de renforcement est plus important que celui des cristaux cubiques planaires centrés. Mais la solubilité solide des atomes interstitiels est très limitée, de sorte que l'effet de renforcement réel est également limité. Plus la différence dans le nombre d'électrons de valence entre les atomes de soluté et les métaux de base est grande, plus l'effet de renforcement de la solution solide est évident, c'est-à-dire que la limite d'élasticité de la solution solide augmente avec l'augmentation de la concentration en électrons de valence

4. Degré de renforcement de la solution solide

Dépend principalement des facteurs suivants :

（1）La taille est différente entre les atomes de la matrice et les atomes du soluté. Plus la différence de taille est grande, plus la structure cristalline d'origine est perturbée et plus le glissement de dislocation sera difficile.

 (2) La quantité d'éléments d'alliage. Plus il y a d'éléments d'alliage ajoutés, plus l'effet de renforcement est important. Si vous ajoutez trop d'atomes trop gros ou trop petits, vous dépasserez la solubilité. Cela implique un autre mécanisme de renforcement, le renforcement de phase décentralisé.

 (3) Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de la solution solide plus important que les atomes de déplacement.

 (4) Plus la différence du nombre d'électrons de valence entre l'atome de soluté et le métal de base est grande, plus l'effet de renforcement de la solution solide est important.

5. Effet

La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté sont plus fortes que celles des métaux purs.

Dans la plupart des cas, la ductilité est inférieure à celle des métaux purs ; Elle conduit beaucoup moins l'électricité que le métal pur ; La résistance au fluage, ou perte de résistance à haute température, peut être améliorée par un renforcement par solution solide.

Durcissement

1.Définition

Avec l'augmentation du degré de déformation à froid, la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent, mais la plasticité et la ténacité diminuent.

2.Introduction

Le phénomène selon lequel la résistance et la dureté d'un matériau métallique augmentent tandis que la plasticité et la ténacité diminuent pendant la déformation plastique en dessous de la température de recristallisation, connu sous le nom de durcissement à froid. La raison en est que pendant la déformation plastique du métal, les grains glissent et se disloquent, ce qui provoque l'allongement des grains, leur rupture et leur fibrose, et des contraintes résiduelles sont générées à l'intérieur du métal. Le degré d'écrouissage est généralement exprimé par le rapport entre la microdureté de la couche superficielle après et avant écrouissage et la profondeur de la couche durcie.

3. Du point de vue de la théorie des dislocations

(1) Une coupe transversale se produit entre les dislocations, ce qui entraîne un ordre de coupe qui entrave le mouvement des dislocations ;

 (2) Les dislocations réagissent les unes avec les autres et la dislocation fixe formée entrave le mouvement des dislocations ;

(3) Une prolifération des dislocations se produit et la densité des dislocations augmente pour augmenter encore la résistance au mouvement des dislocations.

4. Dommage

L'écrouissage entraîne des difficultés pour le traitement ultérieur des pièces métalliques. Si dans le processus de laminage à froid, la tôle d'acier devient de plus en plus dure et ne bouge pas, il faut donc prévoir un recuit intermédiaire au cours du processus de traitement, pour éliminer son écrouissage par chauffage. Par exemple, lors du processus de découpe, la surface de la pièce est cassante et dure, de manière à accélérer l'usure de l'outil et à augmenter la force de découpe.

5. Avantage

Il améliore la résistance, la dureté et la résistance à l'usure des métaux, en particulier pour les métaux purs et certains alliages qui ne peuvent pas être renforcés par traitement thermique. Par exemple, le fil d'acier à haute résistance étiré à froid et le ressort laminé à froid sont utilisés pour améliorer leur résistance et leur limite d'élasticité. De même, les chenilles de chars, les tracteurs, les mâchoires de concasseur et les aiguillages de chemin de fer utilisent également un durcissement par travail pour améliorer leur dureté et leur résistance à l'usure.

6. FrançaisRôle dans l'ingénierie mécanique

Après l'étirage à froid, le laminage et le grenaillage (voir renforcement de surface), la résistance de surface des matériaux, pièces et composants métalliques peut être considérablement améliorée. Une fois les pièces sollicitées, certaines parties de la contrainte locale dépassent souvent la limite d'élasticité du matériau, provoquant une déformation plastique, en raison de la limite d'écrouissage de la déformation plastique continue de se développer, peut améliorer la sécurité des pièces et composants ; lorsque des pièces ou composants métalliques sont pressés, leur déformation plastique s'accompagne d'un renforcement, qui transfère la déformation aux pièces durcies non travaillées environnantes. Les pièces embouties à froid avec une déformation de section transversale uniforme peuvent être obtenues par une telle action alternée répétée. Cela peut améliorer les performances de coupe de l'acier à faible teneur en carbone et rendre les copeaux faciles à séparer. Mais l'écrouissage entraîne également des difficultés pour le traitement ultérieur des pièces métalliques. Comme le fil d'acier étiré à froid, en raison de l'écrouissage, il consomme davantage d'énergie pour l'étirage, voire se casse, il faut donc passer par un recuit intermédiaire, éliminer l'écrouissage puis l'étirage. Par exemple, afin de rendre la surface de la pièce cassante et dure, puis de couper pour augmenter la force de coupe, accélérer l'usure de l'outil.

Renforcement des grains fins

1. Définition

La méthode d'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux métalliques par affinage des grains est appelée renforcement des grains fins. Dans l'industrie, la méthode d'affinage des grains est utilisée pour améliorer la résistance des matériaux.

2. Principe 

En général, un métal est polycristallin avec de nombreux grains. La taille des grains peut être exprimée comme le nombre de grains par unité de volume. Plus le nombre est élevé, plus le grain est fin. Les expériences montrent que les métaux à grains fins ont une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité plus élevées que les métaux à grains grossiers à température ambiante. Ceci est dû au fait que la déformation plastique des grains fins sous l'effet d'une force externe peut être dispersée dans davantage de grains, et la déformation plastique est plus uniforme et la concentration de contrainte est plus faible. De plus, plus les grains sont fins, plus la zone de joint de grain est grande, et plus le joint de grain est tortueux, plus la propagation des fissures est défavorable. Par conséquent, la méthode d'amélioration de la résistance du matériau par affinage du grain est appelée renforcement du grain fin.

3. Effet

Plus la taille du grain est petite, plus le nombre de dislocations (n) dans le groupe de dislocations est petit, plus la concentration de contrainte est faible et plus la résistance du matériau est élevée. Selon la relation Hall-ligand, plus la moyenne (D) des grains est petite, plus la limite d'élasticité du matériau sera élevée.

4. Méthode d'affinage du grain

Augmenter le degré de surfusion ; Traitement métamorphique ; Vibration et agitation ; Les grains peuvent être affinés en contrôlant le degré de déformation et la température de recuit pour les métaux déformés à froid.

Renforcement de seconde phase

1. Définition

En comparaison avec les alliages monophasés, il existe des secondes phases en plus de la phase matricielle. Lorsque la seconde phase est uniformément répartie dans la phase matricielle avec de fines particules dispersées, un effet de renforcement significatif se produit. Ce renforcement est appelé renforcement secondaire.

2. Classification

Pour le mouvement de dislocation, la seconde phase de l'alliage contient les deux conditions suivantes : (1) l'effet de renforcement des particules non déformables (mécanisme de contournement). (2) Effet de renforcement des particules déformables (mécanisme de coupe). Le renforcement par dispersion et le renforcement par précipitation appartiennent tous deux aux cas particuliers du renforcement de seconde phase.

3. Effet

La deuxième raison est l'interaction entre eux et la dislocation, qui entrave le mouvement de dislocation et améliore la résistance à la déformation de l'alliage.

Conclusion

Les facteurs les plus importants affectant la résistance sont la composition, la structure et l'état de surface du matériau lui-même. Deuxièmement, l'état de contrainte, comme la vitesse de la force postérieure, le mode de chargement, l'étirement simple ou la contrainte répétée, montrera une résistance différente ; De plus, la géométrie et la taille de l'échantillon et du milieu d'essai ont également une grande influence, parfois même décisive, comme la résistance à la traction de l'acier à très haute résistance dans une atmosphère d'hydrogène peut diminuer de façon exponentielle. Il n'y a que deux façons de renforcer les matériaux métalliques. L'une consiste à améliorer la force de liaison atomique de l'alliage, à augmenter sa résistance théorique et à fabriquer un cristal complet sans défauts, comme les moustaches. Étant donné que la résistance des moustaches du fer est proche de la valeur théorique, on peut supposer que cela est dû au fait qu'il n'y a pas de dislocations dans les moustaches, ou seulement un petit nombre de dislocations qui ne peuvent pas proliférer pendant la déformation. Malheureusement, lorsque le diamètre des moustaches est grand, la résistance chute brusquement. Une autre approche de renforcement consiste à introduire un grand nombre de défauts cristallins, tels que des dislocations, des défauts ponctuels, des atomes hétérogènes, des joints de grains, des particules hautement dispersées ou une inhomogénéité (comme l'asymétrie), etc. dans le cristal. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et amélioreront considérablement la résistance du métal. Cela s'est avéré être le moyen le plus efficace d'augmenter la résistance du métal. Pour les matériaux d'ingénierie, c'est généralement par l'effet de renforcement global que l'on obtient de meilleures performances globales.